이 프로토콜은 장간막 허혈-재관류 손상을 유도하고 생체 내 현미경을 사용하여 장간막 정맥의 호중구 세포 외 트랩(NET)을 시각화하는 방법을 제시합니다. 상장간막동맥의 혈류를 1시간 동안 제한한 후 재관류를 수행하여 백혈구 유착 및 NETosis를 직접 정량화할 수 있었습니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
이 프로토콜은 장간막 허혈-재관류 손상을 유도하고 생체 내 현미경을 사용하여 장간막 정맥의 호중구 세포 외 트랩(NET)을 시각화하는 방법을 제시합니다. 상장간막동맥의 혈류를 1시간 동안 제한한 후 재관류를 수행하여 백혈구 유착 및 NETosis를 직접 정량화할 수 있었습니다.
장 허혈-재관류(I/R) 손상은 장간막 혈관으로의 혈류 제한으로 인한 조직 손상을 특징으로 하는 급성 질환으로, 예후가 좋지 않은 국소 및 전신 병리학을 유발합니다. 허혈과 재관류는 모두 일련의 세포 및 분자 반응을 유발하며, 염증성 세포는 병리학의 핵심 조절자 역할을 합니다. 허혈성 내피와의 이러한 상호 작용은 다중 접착 수용체에 의해 매개됩니다. 이 병리학을 모방하고 관련된 분자 경로를 조사하기 위해 여러 동물 모델이 확립되었습니다. 이 연구에서는 I/R 손상의 미세수술 모델을 생체 내 현미경과 결합하여 백혈구 굴림, 접착 및 호중구 세포외 트랩(NET) 형성을 시각화합니다. 이 모델은 내피 PAR1(F2r)이 결핍된 형질전환 마우스에 적용하여 허혈 후 1시간 후 및 재관류 직후 백혈구 압연 및 NET 형성에 대한 PAR1의 영향을 평가합니다. 생체 내에서는 Acridine Orange 백혈구 염색을 사용하고, 핵산 염색을 사용하여 NET을 시각화했습니다. 흥미롭게도, 백혈구 부착 감소와 NET 형성이 내피 PAR1 수용체가 결핍된 마우스에서 관찰되었습니다. 이 모델을 사용하면 I/R 손상과 관련된 주요 조절 인자의 생체 내 분석을 수행할 수 있습니다.
급성 장간막 허혈(Acute mesenteric ischemia, AMI)은 사망 위험2이 높은 희귀 병리1로, 셀리악 축(celiac axis) 또는 상부 또는 하부 장간막 동맥(superior or lower interenteric artery)의 혈전으로 인해 장간막의 혈류가 감소하는 것이 특징이다. 60%-70%의 경우, 혈전증이나 색전술로 인한 상장간막동맥의 급성 폐색이 급성 장 허혈의 원인이다3. 반면, 5-15%의 사례에서 장간막 정맥 혈전증은 상장간막 정맥(superior mesenteric vein)과 관련된 장간막 허혈(mesenteric ischemia)을 유발하며, 드물게는 하부 장간막 정맥(lower mesenteric vein)과 관련된 허혈(mesenteric ischemia)을 유발한다4. 허혈로 인한 저산소증과 영양실조는 세포 수준에서 에너지 대사 장애를 유발한다5. 예를 들어, 손상된 미토콘드리아 기능은 여러 신호 경로를 활성화하여 세포 사멸 메커니즘을 시작합니다6. 빠른 재관류는 호기성 대사의 회복을 가능하게 하지만, 허혈 부위로의 혈류 회복은 종종 활성산소종(ROS) 생성7, 칼슘 과부하8, 내피 기능 장애9 및 염증 반응10으로 인해 광범위한 조직 손상을 유발한다.
허혈-재관류(I/R) 손상 중 분자 메커니즘을 규명하기 위해 상장간막동맥의 일시적인 혈관 폐색을 사용하는 많은 실험 동물 모델이 확립되었습니다11. 이러한 모델을 생체 내 현미경(IVM)과 함께 사용하는 것은 기저 세포 상호 작용 및 질병 진행에 대한 통찰력을 얻기 위한 기본 요소입니다11. 허혈 직후 장 장벽 기능 장애가 관찰되며12 상피가 무결성을 잃고13 장간막 림프절, 비장, 간, 신장과 같은 장 외 부위로 세균 전좌가 발생합니다12,14. 재관류는 점막 손상을 더욱 악화시킨다15. 세동맥의 염증 반응은 L-selectin16, P-selectin (CD62P)17, 혈소판 GPIIb/IIIa 및 fibrinogen18과 같은 분자에 의존하는 내피 세포층에 백혈구가 굴러가고 단단히 접착되는 것에 의해 나타납니다. 흥미롭게도, 장간막 정맥에 대한 백혈구 부착은 장내 미생물총(microbiota)19 및 톨 유사 수용체(Toll-like receptor 4) 신호10의 존재에 의해 영향을 받습니다. I/R 손상은 또한 호중구 세포외 트랩(NET) 형성을 유발합니다10. 호중구와 같은 활성화된 백혈구에서 유래한 세포외 DNA의 치료적 표적화는 장 I/R 손상의 결과를 개선한다20. 간에서 I/R 손상은 상주 마이크로파지에 의해 발화되며(21), 마이크로RNA 억제(microRNA inhibitor)는 세포사멸(apoptosis)을 현저하게 약화시킨다22. 주목할 점은 장간막의 I/R 손상은 장 세균 불균형(gut dysbiosis)을 초래하며, 이는 혈관 재생술 후 되돌릴 수 있고 해결된다는 것이다23.
내피는 또한 I/R 손상의 손상 효과에 의해 영향을 받으며, ROS는 이 과정에서 중추적인 역할을 합니다24. 백혈구가 내피 세포층에 부착, 내피 손상 및 산화질소(NO) 대사의 변화가 관찰됩니다9. 그러나 관련된 분자 경로는 아직 완전히 조사되지 않았습니다.
프로테아제 활성화 수용체 1(Protease-activated receptor 1, PAR1, F2r)은 내피 세포를 포함한 다양한 세포에 의해 발현되는 막 수용체(membrane receptor)로, 염증성 질환 중에 활성화된다25. 세린 프로테아제(serine protease)가 N-말단(N-terminus)에서 수용체를 절단하여 테더링된 리간드(tethered ligand)를 노출시킬 때 활성화가 발생하며, 이 리간드는 분자의 두 번째 세포외 루프(extracellular loop)에 결합하여 수용체를 활성화합니다26. 내피 단백질 C 수용체(EPCR)-PAR1 신호전달 경로는 내피 NO 항상성에 영향을 미치고 말초 허혈에서 혈류 회복을 촉진한다27.
본 연구에서는 백혈구 롤링, 접착 및 NET 형성을 시각화하기 위해 내피 세포 특이적 PAR1 결핍을 특징으로 하는 유전자 마우스 모델에 I/R 손상을 적용했습니다. I/R 미세수술 후 유전자 마우스 모델과 생체 내 현미경 검사의 조합은 질병 진행과 관련된 특정 세포 유형을 강조함으로써 귀중한 통찰력을 제공합니다. 유전자 마우스 모델에 I/R 손상을 적용하는 것은 질병의 진행을 개선하는 데 사용할 수 있는 잠재적인 치료 표적을 식별하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, NETosis에서 내피 PAR1의 중요성이 밝혀졌다.
쥐와 관련된 모든 절차는 동물 입법에 관한 지역 위원회(Landesuntersuchungsamt Rheinland-Pfalz, Koblenz, Germany; G21-1-041). 6-8 주 된 수컷과 암컷 B6. FVB-F2rtm1a(EUCOMM) Tg/Cdh5-cre)7Mlia/Tarc 마우스를 사용하여 연구를 진행했습니다. F2r(PAR1)의 내피 세포 특이적 조절은 VE-Cadherin Cre 프로모터28을 통해 발생합니다. 본 연구에서 flox-F2r x VE-Cadherin Cre+(F2RΔEC)는 내피 세포에서 F2r(PAR1) 발현이 감소했으며, flox-F2r x VE-Cadherin Cre-(WT)는 정상 내피 F2r(PAR1) 수치를 나타냅니다. 이 연구에 사용된 시약 및 장비의 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 수술 준비
2. 동물 준비
3. 외과적 절차
4. Intravital 고속 비디오 epifluorescence 현미경 검사
5. 간 내피 세포(LEC) 분리 및 정량적 RT-PCR
백혈구 롤링 및 접착 및 NET 형성에 대한 내피 세포 의존적 효과를 연구하기 위해 처음에는 내피 세포에서 VE-Cadherin Cre 유도 F2r 결핍의 효능을 조사했습니다. 간 내피 세포를 분리하기 위해 자기 세포 분류가 사용되었습니다. 그 후, RNA를 분리한 후 정량적 real-time PCR(qRT-PCR)을 수행했습니다. VE-Cadherin promoter의 제어하에 발현된 Cre 재조합효소가 없는 F2rΔEC 마우스는 WT 대조군에 비해 F2r (PAR1) mRNA 수치가 현저히 감소(약 1/3)된 것으로 나타났습니다(그림 1).
마우스 라인의 결핍을 확인한 후, 장간막 I/R 손상을 수행하여 혈관 내피 세포가 발현하는 PAR1이 생체 내 현미경으로 시각화된 백혈구 롤링 및 접착에 미치는 영향을 조사했습니다(그림 2A, B). 허혈 1시간 후, 클램프를 제거하고 혈관을 재관류시켰습니다. 백혈구 굴림과 유착이 관찰되고 기록되었습니다(녹색으로 염색되고 흰색 화살표로 표시). 두 그룹 모두 I/R 손상 후 부착 백혈구 수가 증가한 것으로 나타났지만, 내피 F2r (PAR1)의 결핍으로 인해 I/R 활성화 장간막 내피에 대한 백혈구 접착력이 현저히 감소하지는 않았으며, 이는 허혈성 장간막 정맥에 대한 백혈구 동원에서 내피 PAR1 활성화의 적극적인 역할을 시사합니다(그림 2C).
다음 목표는 내피 PAR1 발현이 I/R 손상으로 인한 NET 형성을 조절하는지 여부를 조사하는 것이었습니다. 그러므로, 세포외 핵산을 세포 불투과성 염료(30)로 염색하고, 생체 내 현미경(검은색 화살표로 표시)을 사용하여 생성된 NET을 시각화하였다(그림 2A,B). I/R 손상 후, NET은 내피 세포에서 정상 수준의 PAR1을 발현하는 WT 그룹에서만 관찰되었으며, 이는 NETosis에서 PAR1의 조절 역할을 나타냅니다(그림 2C, D). 특히, 내피 F2r 발현이 억제되었을 때, I/R로 손상된 장간막 정맥에는 NET이 존재하지 않았다.

그림 1: F2r(PAR1) mRNA 발현. L32 하우스키핑 유전자에 상대적인 WT(n = 6) 및 F2rΔEC(n = 9) 마우스의 F2r 간 내피 세포 발현. 데이터는 95% 신뢰 구간의 중위수로 표시됩니다. Mann-Whitney 검정은 두 개의 독립 그룹 *p < 0.05를 비교하는 데 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 내피 PAR1은 I/R 손상 장간막 정맥에서 백혈구 접착 및 NET 형성에 영향을 미칩니다. I/R 부상 전(사전) 및 후(사후) (A) 10배 및 (B) 20배 배율의 WT 및 F2rΔEC 마우스의 Acridine 주황색(흰색 화살표)으로 염색된 부착 백혈구 및 Sytox 주황색(검은색 화살표)으로 염색된 NET의 대표적인 생체 내 현미경 이미지. 눈금 막대 : A, 50 μm; B, 20 μm. (C) 백혈구 접착 및 (D) WT (n = 7) 및 F2rΔEC (n = 4) 마우스의 mm2 당 NETs (전) 및 후 I / R 부상 후. 모든 데이터는 95% 신뢰 구간에서 중앙값으로 표시되었습니다. Two-way ANOVA test, **p< 0.01 및 Sídák의 다중 비교 테스트를 사용하여 통계적 비교를 수행하여 모든 시점(허혈 전후 및 후)에서 서로 다른 유전자형의 평균을 비교했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
생체 내 현미경 검사와 결합된 장간막 I/R 손상은 허혈 1시간 후 백혈구 및 NET의 생체 내 분석을 위해 내피 세포의 F2r(PAR1) 결핍에 대한 유전자 마우스 모델에 적용되었습니다. 장간막 I/R 손상 모델은 허혈과 재관류 시간이 몇 분에서 몇 시간까지 다양한 설치류에서 자주 사용되며, 23,31 염증 결과32 및 폐사율33에 영향을 미칩니다. 이 모델은 또한 미생물군19,34, 면역 수용체 10,35,36,37, 성별38,39,35세 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 다양한 I/R 시간 외에도 이 모델의 또 다른 변수는 소장이 결장보다 더 큰 점막 손상을 보이는 부상에 대한 장의 다른 부분의 차등 반응입니다40. 허혈 영역에 영향을 미치는 미세혈관 클립의 위치는 방법32,33의 재현성에 중요합니다. 중요한 것은, 부수적 흐름 중단과 결합된 우수한 장간막 동맥 폐색은 허혈의 지속 기간과 일관되게 관련된 사망률을 산출한다는 것입니다41.
본 연구에서는 생쥐를 대상으로 1시간 동안 허혈을 실시하고, 재관류 직후 생체 내 백혈구 부착 및 NET 형성을 시각화하여 내피 F2r 발현이 없는 상태에서 허혈 상태에 의해 유발되는 조기 염증 반응을 조사했습니다. 이러한 방법을 유전자 마우스 모델에 적용하면 특정 표적 분자가 허혈 후와 재관류 중 세포 행동과 염증 반응에 어떤 영향을 미치는지 조사할 수 있습니다.
프로토콜에는 장 무결성 유지를 포함하여 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 장 만지는 것은 조직 손상을 방지하기 위해 부드럽게 이루어져야 합니다. 이를 위해 촉촉한 면봉은 복강에서 장을 일시적으로 분리하는 데 적합한 도구입니다. 장이 복부로 재배치될 때까지 촉촉한 상태를 유지하는 것이 중요합니다. 경미한 취급 부상은 혈소판 및 내피 세포와 같은 다양한 세포 유형의 활성화를 유발할 수 있으며, 이는 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.
일관성을 위해 허혈 전후의 동일한 장 분절 부위를 시각화하는 것이 중요합니다. 이는 허혈 후 장이 복강 내에서 재배치되기 때문에 어려울 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위한 한 가지 방법은 허혈 전에 시각화된 장 부분에 작은 촉촉한 압박 붕대 조각을 놓는 것입니다.
생체 내에서 백혈구 롤링 및 접착력과 NET 형성을 시각화하기 위해 마우스에 경정맥을 통해 백혈구와 핵산 형광 염료를 모두 주입했습니다. 백혈구 염료 (재료 표 참조)는 백혈구에는 결합하지만 적혈구에는 결합하지 않는 세포 투과성 변색 형광 염료이며 생체 내 백혈구 염색에 널리 사용되었습니다 17,42. 염료는 정맥 주사로 도포되며 몇 초 내에 강력한 백혈구 염색을 제공합니다. 그러나 특이성은 내피 세포와 같은 다른 핵 세포도 염색하기 때문에 제한이 될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 순환 세포는 세척 효과(washout effect)로 인해 염색을 더 오래 유지한다43. 핵산 형광 염료 (재료 표 참조)는 NET 형성30 , 44 , 45 를 시각화하는 데 일반적으로 사용되는 세포 불 투과성 핵산 염색입니다. 또한 정맥 주사로 적용할 수 있고 친화력이 높으며 빠르고 사용하기 쉽습니다. 다시 말하지만, 특이성은 염료가 손상되지 않은 막이 있는 모든 세포에 결합하기 때문에 단점입니다. 이상적으로는 호중구 마커(예: CD15, CD11b) 또는 NETosis 마커(예: 항-citH3 항체)와 결합하여 특이성을 향상시켜야 합니다. 이러한 염료는 실험실 동물의 장간막 정맥에서 백혈구의 생체 내 이미징을 가능하게 합니다.
이 기술의 주요 한계는 내장 지방이 존재한다는 것인데, 이는 장 모세혈관의 시각화를 제한하고 이미지 획득을 크게 방해합니다. 이러한 합병증을 피하려면 내장 지방 형성이 감소한 어린 실험 동물(6-8주령)을 사용해야 합니다. 또한 체외 조직학적 분석은 in vivo 염색의 사용으로 인해 방해를 받습니다. 또 다른 한계는 장내 미생물총(microbiota)과 식단이 이 모델에 미치는 영향인데, 이는 서로 다른 마우스 사육 방식에 따라 크게 다를 수 있다46. 이러한 한계를 해결하기 위해 gnotobiotic 마우스 모델에 대한 연구를 고려할 수 있습니다10.
본 연구에서는 허혈 후 즉각적인 세포 반응을 조사하고, 활성화된 장간막 내피에 대한 백혈구 침착 감소 및 NET 형성을 in vivo에서 관찰했습니다. 허혈 후 1시간 후에 DNase를 정맥 투여하여 분해하면 조기 전염증 반응이 감소하고 장 장벽 파괴가 개선된다47. 주목할 점은 트롬빈 활성을 억제하는 막관통 당단백질인 트롬보모듈린(thrombomodulin)을 사용한 치료48는 심각한 장 I/R 손상이 있는 마우스의 생존을 개선하여 내피 기능 장애의 염증 반응을 약화시키고 원격 장기에서 강렬한 히스톤 축적을 감소시켰다는 것입니다49. 여기서, 내피 트롬빈 수용체는 I/R 결과에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 질병 병리학의 중요한 매개체를 조사하기 위해 유전자 조작 마우스에서 장 I/R 손상 모델과 생체 내 현미경 검사를 결합하는 것의 중요성을 강조했습니다.
저자는 이해 상충을 공개하지 않습니다.
C.R.은 Forschungsinitiative Rheinland-Pfalz and ReALity(프로젝트 MORE), BMBF Cluster4Future CurATime(프로젝트 MicrobAIome, 03ZU1202CA), Wilhelm Sander-Stiftung(Nr. 2022.131.1) 및 Deutsche Zentren der Gesundheitsforschung(DZG) 혁신 기금 "마이크로바이옴"(81X2210129)의 자금 지원을 인정합니다. C.R.은 독일 심혈관 연구 센터(DZHK)의 과학자입니다. C.R.은 CTVB(Center for Translational Vascular Biology), FZI(Research Center for Immunotherapy) 및 요하네스 구텐베르크 대학교 마인츠(Johannes Gutenberg-University Mainz)의 Potentialbereich EXPOHEALTH의 회원입니다. C.R.은 DFG Research Unit 5644 INFINITE(RE 3450/15-1)의 구성원입니다. C.R.은 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학의 구텐베르크 연구 대학으로부터 펠로우십을 받았습니다. K.K.는 DZHK "Promotion of Women Scientists" Excellence Programme의 지원을 받고 있으며 Young DZHK의 회원입니다. Z.G.와 O.D.는 마인츠 중개 생물 의학 연구 학교(TransMed)의 박사 과정 학생입니다.
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